Специалисты по молекулярным моторам углубили понимание роторного ионного насоса клетки

Команда специалистов по наноразмерным вращательным моторам напрямую визуализировала процесс перекачки ионов натрия, что позволило объяснить, почему до сих пор наблюдалось несоответствие структурной симметрии между двумя моторами, составляющими часть ключевого белка, управляющего этим процессом. Их результаты должны помочь лучше понять механизмы, связанные с клеточными моторами преобразования энергии в целом.

Исследование опубликовано в Proceedings of the National Academy of Sciences 10 октября 2022 года.

В сложных клетках белок ATP-синтаза, встроенный в мембрану митохондрий, использует поток протонов из области с высокой концентрацией в область с низкой (протонный градиент) для вращения своей "оси" и синтеза молекул аденозинтрифосфата (АТФ) — энергетической валюты клетки.

Существует и "противоположный" белок — вакуолярная АТФаза (V-АТФаза), который работает как протонный "насос", использующий энергию АТФ для создания протонного градиента.

V-АТФазы состоят из двух роторных моторов, Vo и V1. Однако мало исследований проводилось на других типах V-АТФаз, которые могут иметь несколько иные функции и структуру. Кроме того, V-АТФазы могут перекачивать не только протоны, но и ионы натрия (Na+).

У бактерии Enterococcus hirae (E. hirae) её V-АТФаза работает как АТФ-зависимый насос Na+ для поддержания нужной концентрации ионов натрия внутри клетки. Известно, что на один оборот её мотора EhV1 тратится 3 молекулы АТФ (по одной на каждый шаг в 120°). При этом мотор EhVo содержит кольцо из десяти субъединиц (c10-кольцо), которое вращается в мембране и транспортирует ионы натрия: 10 ионов натрия за полный оборот.

Ключевая загадка заключалась в несоответствии симметрии: 10 ионов натрия транспортируются за оборот, который стоит 3 АТФ. Это даёт соотношение 3,3 иона натрия на 1 АТФ, что физически невозможно.

Учёные предположили, что у E. hirae из-за множества периферических стебельков связь между моторами может быть жёсткой, а не упругой, и несоответствие может разрешаться за счёт дополнительных пауз во вращении.

Для проверки гипотезы исследователи напрямую визуализировали движение моторов, используя 40-нанометровую золотую наночастицу в качестве зонда, отслеживаемого высокоскоростной камерой.

Результаты показали:

  • Связывание ионов натрия и АТФ к разным частям белка происходит при разных углах.
  • Связь между двумя моторами действительно включает жёсткий компонент.
  • Этот жёсткий компонент требует 13 пауз за оборот, что разрешает несоответствие симметрии (и необходимость в "трети" иона натрия), а также иногда вызывает обратные шаги в процессе.

Результаты также подтверждают, что V-АТФазы с их множественными периферическими стебельками связаны более жёстко, чем АТФазы с одним периферическим стебельком, работающие как АТФ-синтазы.

Ожидается, что визуализация работы моторов V-АТФазы проложит путь к всестороннему пониманию механизмов, задействованных в работе АТФаз в целом.